Sub-THz 주파수에서 온웨이퍼 특성 분석

6G 요구사항을 비교할 때에는 신호 전파, 출력 및 효율성 면에서 Throughput 향상을 위해 고주파를 사용하게 됩니다. mmWave(밀리미터파) 또는 THz 회로의 성능을 테스트할 때는, 고주파를 사용함에 따라 나타나는 모든 제약을 기준으로 무선 성능을 측정하는 방식이 적합합니다. 이러한 RF 회로의 성능은 트랜지스터 및 기타 액티브 컴포넌트에 의해 제한됩니다. 이러한 주파수에서는 트랜지스터의 물리적 한계로 인해, 최대 가용 출력 파워가 크게 감소합니다. 따라서 고주파 애플리케이션에서는 반도체 컴포넌트의 RF 동작을 면밀히 파악하는 것이 필수입니다. 주행 애플리케이션에서는 다양한 작동 조건과 넓은 주파수 대역에서 새로운 반도체 장치의 정확한 모델을 만드는 것이 중요합니다.

밀리미터파 장치 특성 분석에 있어 가능한 넓은 다이내믹 레인지가 필요한 경우, 로데슈바르즈 파트너인 MPI Corporation에서 제공하는 웨이퍼 레벨 측정 시스템과 벡터 네트워크 분석기를 이용한 RF 특성 테스트를 최우선적으로 고려해야 합니다. 여기에 Load-pull 테스트를 추가하면 새 반도체 컴포넌트의 특성 분석이 완료됩니다.

목표

새로운 통신 표준과 기술은 RF 도메인에서 사용 가능한 대역을 찾기 위해 계속해서 더 높은 주파수 대역을 이용합니다. 차세대 레이더 센서 또는 6G와 같은 미래 무선 시스템은 100 GHz 이상, 즉, sub-THz 대역을 이용할 것으로 예상됩니다. 이러한 대역을 상용 애플리케이션에 적용하는 것은 처음이므로, 새로운 반도체 기술을 개발하여 효율적이고 양산이 가능한 반도체를 구현해야 합니다. 이러한 반도체 기술은 고주파 대역에서 다양한 애플리케이션에 대한 연구와 함께 최적화를 진행하고 있습니다. 현재 이러한 주파수 대역에 접근할 수 있는 반도체 기술은 이미 이용할 수 있는 단계이지만 비용 및 양산 가능성은 여전히 해결해야 할 문제입니다.
연구원과 엔지니어들은 sub-THz 영역에 반도체 기술의 RF 성능을 조사하고 있습니다. 이 목적을 위해, 안정적이면서도 검증된 아래와 같은 방법을 이용할 수 있습니다. 이 방법은 적절한 웨이퍼 프로버 시스템을 이용하여 웨이퍼 레벨에서 직접 수행합니다. S-파라미터는 컴포넌트 특성 분석을 위해 보편적으로 사용합니다. 액티브 컴포넌트의 전체적 특성 분석을 위해 기기에 표시되는 임피던스를 Load-pull 방법으로 제어 및 설정해야 합니다.

완전한 sub-THz 및 THz 온웨이퍼 Load-pull 시스템을 제공하기 위해 MPI Corporation 및 Focus Microwaves와 협업

로데슈바르즈는 완벽한 턴키 솔루션을 제공하기 위해 업계 리더인 MPI Corporation 및 Focus Microwaves와 협업하고 있습니다. 각 회사는 자신만의 핵심 노하우를 제공합니다.

• 로데슈바르즈는 R&S®ZNA Vector Network Analyzer를 제공합니다
• Focus Microwaves는 Load-pull 튜너, 시스템 소프트웨어, 테스트 오브젝트의 임피던스 제어를 제공합니다
• MPI는 고급 프로브 스테이션과 필수적인 하드웨어 통합을 제공해 원활한 시스템 운영을 보장합니다
• MPI는 전용 프로브 시스템 플랫폼에 위 기기의 통합을 제공하여 AIT(Automated Impedance Tuner) 애플리케이션을 지원합니다. 여기에 RF 프로브, 교정 기판, 프로브 시스템 운영 제품군 SENTIO^®와 임베디드 RF 교정 소프트웨어인 QAlibria®를 추가하여 시스템을 완성합니다.

VNA(벡터 네트워크 분석기)를 핵심 테스트 기기로 활용

테스트 셋업에서 R&S®ZNA Vector Network Analyzer는 RF 측정 수행의 핵심 기기입니다. R&S®ZNA는 기본적인 S-파라미터 특성 분석뿐만 아니라, 다양한 전용 PA(전력 증폭기) 또는 믹서 측정(게인 보상, 인터모듈레이션, 그룹 딜레이 등)을 수행할 수 있습니다. R&S®ZNA 본체는 최대 4개 port로 67 GHz까지의 주파수에 대응할 수 있습니다. R&S®ZCxxx 밀리미터파 컨버터는 주파수 대역을 1.1 THz까지 확장하여 4 port 애플리케이션을 지원합니다. R&S®ZNA는 주파수 컨버터를 완벽히 제어하며 간단한 수동 또는 자동 사용이 가능합니다.

웨이퍼에 연결하기 위한 프로브 시스템

공동 솔루션은 sub-THz 주파수에서 온웨이퍼 측정의 엄격한 요구사항을 충족하기 위해 전용 MPI Corporation 프로브 시스템 플랫폼 AIT를 사용합니다. 이 AIT는 기기 특성, 측정 정확도, 운영 편의성을 유지하면서 150 mm, 200 mm, 300 mm 웨이퍼에서 측정하기 위해 개발되었습니다. 이 솔루션은 1 THz 미만과 그 이상의 주파수 대역에 대응하며 과열 특성 분석을 포함합니다.

전용 FEAD(Frequency Extender Adaptation) 및 고유한 프로브 플랫폼 플래튼을 사용하므로 익스텐더 포트와 DUT(테스트 기기) 간 최단 거리를 구현합니다. 이 장치는 주파수 컨버터를 웨이퍼에 매우 가깝게 배치해 기기로 공급되는 전력을 극대화하고, 입/출력 시 측정에 대해 매우 넓은 다이내믹 레인지를 보장합니다. 새로운 QAlibria^®교정 소프트웨어 및 검증된 교정 기판은 업계 표준 및 첨단 교정 방법을 실현할 뿐만 아니라 NIST StatistiCAL 소프트웨어 패키지와 연결해 계측 수준의 NIST 멀티라인 TRL(Through‑Reflect-Line) 교정을 구현합니다.

수동 MPI TS200-THZ 프로브 시스템은 자동 버전인 MPI TS2000-IFE THZ-Selection과 핵심 원칙이 동일합니다. 두 시스템 모두 정밀 포지셔너와 공학설계된 플래튼을 탑재해 온웨이퍼 측정 중 최적의 성능을 보장합니다. 수동 버전은 정밀 웨이퍼 포지셔닝을 달성하고 주파수 컨버터에 근접하므로 DUT와 정확한 배열 및 접촉이 가능합니다. 이 설계는 신호 손실을 최소화하고 기계적 충돌을 줄이며 DUT(테스트 기기)에 공급되는 전력을 개선하므로, Load-pull을 포함한 sub-THz 애플리케이션 측정에서 최고의 성능을 보입니다.

마찬가지로, 자동 MPI TS2000-IFE THZ-Selection은 수동 버전과 같은 방식을 따라 첨단 설계 플래튼과 정밀 포지셔너를 탑재하고 있습니다. 자동 시스템은 정확하고 반복 가능한 sub-THz 측정에 중요한 조건인 안정적, 통제 가능 측정 조건을 유지합니다. 이 자동 시스템은 MPI의 혁신적 주파수 익스텐더 통합 설계를 활용하여 무중단 신호 전송을 보장하므로 RF, 밀리미터파, THz에 대해 매우 정확한 측정이 가능합니다.

수동 및 자동 버전 모두 최대 300 mm까지 다른 웨이퍼 크기에 대응하므로, 다양한 반도체 애플리케이션에서 다양한 목적으로 활용할 수 있습니다. 연구원과 엔지니어는 이러한 첨단 시스템을 통해 고주파 도메인에서의 반도체 기술을 연구할 수 있어 온웨이퍼 특성 분석에서 뛰어난 정확도와 반복성을 달성할 수 있습니다.

MPI 시스템은 또한 THz 대역으로 확장되는 3 port 측정을 지원합니다. 따라서 밀리미터파와 LO(Local Oscillator, 로컬 오실레이터) port를 동시 결합하여 Broadband 저조파 믹서 테스트가 가능합니다.

Load-pull 및 임피던스 변환

기기 특성 분석을 전체적으로 수행하려면 Load-pulling 및 Source-pulling이 필요합니다. 그러면 반도체 DUT에 정의된 임피던스를 적용하고 다양한 소스 및 로드 매칭에 따라 DUT를 특성 분석할 수 있습니다. 기기 모델링은 Load-pull에 중요한 애플리케이션입니다. Load-pull은 전력 증폭기와 같은 액티브 기기의 최대 효율성 동작을 찾을 때에도 적용할 수 있습니다. 최대 출력 전력 또는 전력 부가 효율 측면에서 액티브 컴포넌트의 동작은 적용된 임피던스에 따라 크게 달라집니다. 마지막으로, 테스트 기기는 일반적으로 50 Ω 환경에 맞게 설계된다는 점도 중요합니다. 웨이퍼 레벨에서 액티브 컴포넌트는 이 값과 큰 차이가 있습니다. 임피던스 매칭은 웨이퍼 레벨에서 테스트할 경우 임피던스 튜너를 사용하여 적용하는 경우가 많습니다.

로데슈바르즈는 완벽 솔루션을 구성하기 위해 Focus Microwaves와 협업해 이 회사의 Delta 튜너를 사용합니다. Focus Microwaves에서 제공하는 새로운 Delta 시리즈 전기-기계 튜너는 고주파 온웨이퍼 측정 전용으로 설계되었습니다. 이 튜너는 크기가 작아 웨이퍼 경계 안에 배치할 수 있고, 프로브 팁과 튜너를 직접 연결할 수 있어 DUT와 튜너 간 발생할 수 있는 삽입 손실을 제거합니다. 엔지니어는 이와 같이 설치면적과 무게가 크게 감소된 새로운 튜너 설계를 이용해 최적의 튜닝 범위를 달성할 수 있습니다. Focus Microwaves는 1.8 GHz - 110 GHz 주파수에 대응하는 광범위한 Delta 임피던스 하모닉 튜너를 제공합니다.

Focus는 Delta 튜너 기술을 활용하고 여기에 소형 튜너의 높은 정확도와 반복성을 결합하여 110 GHz를 초과하는 주파수에 대응하는 도파관 튜너 제품군을 새로 개발했습니다. Focus Microwaves의 소형 도파관 튜너와 첨단 온웨이퍼가 통합되어 sub-THz 도파관 프로브에 직접 연결이 가능하므로 튜닝 범위를 극대화할 수 있습니다. 입력 및 출력 이동 파형(a_1,2, b_1,2) 측정을 위한 반사계를 사용하고 R&S®ZRXxxxL 수신기를 결합할 경우 완전히 교정된 벡터 Load-pull 측정 시 sub-THz 튜너를 사용할 수 있습니다. 이 방식은 수동 Load-pull 시스템의 튜닝 범위를 늘리는 데 자주 사용되는 하이브리드 기법에 맞게 쉽게 조정할 수 있습니다.

애플리케이션

결합된 본체는 VNA와 프로브 스테이션으로 구성되며, RF 장치에 대한 온웨이퍼 측정이 가능합니다. MPI Corporation은 최대 110 GHz까지 가능한 싱글엔드 프로브와 첨단 바이어싱을 위한 다접점 프로브를 포함한 다양한 프로브를 제공합니다.

RF 컨버터와 전용 MPI 도파관 프로브가 통합됨에 따라, 연구원들은 더 높은 고주파까지 측정이 가능하여 전체 THz 스펙트럼에 대응할 수 있게 되었습니다. 예를 들어 현재 활발한 연구가 진행되고 있으며 6G 작업에 필수적인 D 대역을 연구하고, 마찬가지로 6G 애플리케이션과 관련 있는 330 GHz까지 주파수를 조사할 수 있게 되었습니다. 연구원과 엔지니어는 이와 같이 포괄적인 주파수 커버리지를 통해 반도체 장치를 정확히 특성 분석하고, 차세대 통신 기술의 발전을 위한 기초를 다질 수 있습니다.

모든 VNA 측정과 같이 시스템 교정은 중요한 과정이며, 전체 시스템에 대해 두 단계에 따라 실시합니다.

1. MPI 교정 솔루션 및 기본 제공 소프트웨어를 사용하여 VNA 및 해당 컨버터만으로 온웨이퍼 시스템을 교정합니다. 자세한 내용은 MPI 애플리케이션 노트 "Simplifying the Art of Terahertz Measurements(테라헤르츠 측정의 기술 간소화)"를 참조하십시오(www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).

2. 시스템에서 Load-pull 튜너를 교정합니다. 이 과정은 Focus Microwaves 소프트웨어를 사용하여 수행합니다.
교정이 완료되면 Focus Microwaves 소프트웨어가 시스템 소프트웨어처럼 작동합니다. 이 소프트웨어는 튜너뿐만 아니라 R&S®ZNA를 사용해 적용된 임피던스를 조절하고 기기 특성 분석을 위한 RF 측정을 수행합니다.
MPI 프로브는 포지셔닝에서 안정적 테스트 조건을 보장합니다. 또한, 콜드 플레이트를 이용하고 장비 내에서 웨이퍼 DUT 주변 프로버 스테이션 내 공기 흐름을 조절하여 작동 중인 DUT를 냉각합니다.

요약

통신 및 감지 기술이 THz 주파수 대역으로 확장됨에 따라 최적화된 반도체 소재에 대한 필요성이 증가하고 있습니다. 로데슈바르즈는 MPI Corporation, Focus Microwaves와의 협업을 통해 sub-THz 및 THz 온웨이퍼 측정을 위한 공동 솔루션을 제공합니다. 벡터 네트워크 분석기와 프로브 시스템, 임피던스 튜너가 결합된 이 파트너십을 통해 THz 주파수에서 반도체 기기를 정확하고 면밀하게 특성 분석할 수 있습니다. 세 기업은 협력을 통해 혁신 기술의 개발을 가속화하면서, 고주파 통신 및 감지 부문에서 새로운 가능성을 발견하고 있습니다.

자세한 블록도와 Smith 차트에 나타낸 달성 가능 임피던스 튜닝 범위

그림은 D 대역 벡터 Load-pull 셋업을 나타냅니다. 여기에 포함된 소형 도파관 튜너는 RF 프로브에 직접 연결할 수 있으며 일체형 양방향 커플러(옵션)와 함께 구입 가능합니다. 이러한 일체형 양방향 커플러를 사용하면 외부 다운컨버터를 연결해 DUT의 입/출력에서 순방향/역방향으로 이동하는 파동을 직접 측정할 수 있습니다.

임피던스 튜닝 범위

이 그림은 170 GHz에서 Focus D 대역 WR06 튜너의 임피던스 튜닝 범위를 튜너 레퍼런스 평면에 시각화한 것입니다. 튜너 평면에서 16:1 VSWR을 쉽게 달성할 수 있음을 볼 수 있습니다. 이 튜너의 VSWR 응답은 전체 대역에서 매우 평평합니다.
(©Focus Microwaves)